Technologische Rahmenbedingungen für die Bewertung

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1 Technologische Rahmenbedingungen für die Bewertung Dina Bacovsky, BIOENERGY Workshop Algen - eine Energiequelle für Österreich?

2 Inhalt Überblick Nutzungspfade Details der Prozessschritte für 2020 Algenarten Kultivierung Ernte Aufbereitung Umwandlung Änderungen für 2050 Folie 2

3 Nutzungspfade Algen-Bioraffinerie Mikroalgen CO 2, H 2 O, Nährstoffe Kultivierung und Ernte Aufbereitung Zwischenprodukte Umwandlung Bioenergie Biomaterial Folie 3

4 Gewählte Nutzungspfade Nr. Algengruppe Umwandlung 1 Ölreiche Mikroalgen 1a: Veresterung 1b: Fluid Catalytic Cracking 2 Stärkereiche Mikroalgen 2: Alkoholfermentation 3 Ertragsreiche Mikroalgen 4 Abwasser-Algen 3a: Methanfermentation 3b: Hydrothermale Karbonisierung 3c: Hydrothermale Vergasung 4a: Methanfermentation 4b: Hydrothermale Karbonisierung 4c: Hydrothermale Vergasung Folie 4

5 1 Ölreiche Mikroalgen 2 Stärkereiche Mikroalgen 3 Ertragreiche Mikroalgen CO 2, H 2 O, Nährstoffe 4 Abwasseralgen Kultivierung im Photobioreaktor Kultivierung im Photobioreaktor Kultivierung im Photobioreaktor Kultivierung im integrierten System Flokk/Flot Zentrifugation Flokk/Flot Zentrifugation Flokk/Flot Flokk/Flot Zentrifugation Flokk/Flot Flokk/Flot Zentrifugation Biomasse 25 % TS Biomasse 25 % TS Biomasse 5 % TS Biomasse 25 % TS Biomasse 5 % TS Biomasse 25 % TS Extraktion Trocknung 3a 3c 4a 4c Algenöl Veresterung 1a FCC 1b Biomasse 90 % TS 2 Ethanolfermentation Methanfermentation 3b a Methanfermentation und Upgrade b Hydrothermale Karbonisierung 4b c Hydrothermale Vergasung Biodiesel Benzin, LCO, Heizgas Ethanol Biomethan HTC-Kohle Biomethan, Biowasserstoff Strom / Wärme Glycerin, Futtermittel Ethylen, Propylen, Futtermittel CO 2, Dünger Dünger Fernwärme Fernwärme

6 Nutzungspfade Auswahl I Nutzungspfade 1a 1b 2 3a Name Biodiesel Biobenzin Bioethanol Biomethan Rohstoff Ölreiche Algen - Algenöl aus nichtgetrockneter Algenbiomasse Ölreiche Algen - Algenöl aus nicht-getrockneter Algenbiomasse Stärkereiche Algen - Stärke aus getrockneter Algenbiomasse Kultivierung PBR PBR PBR PBR Ertragsreiche Algen - Algenbiomasse nichtgetrocknet Ernte Flockulation + Flotation Flockulation + Flotation Flockulation + Flotation Flockulation + Flotation Entwässerung Zentrifugation Zentrifugation Zentrifugation Trocknung thermische Trocknung Aufbereitung Lösemittelextraktion Lösemittelextraktion Bioenergie Biodiesel Biobenzin, LCO, Heizgas Bioethanol, Strom, Wärme Biomethan Biomaterial Glycerin, Futter Ethylen, Propylen, Futter Kohlendioxid, Dünger Dünger Folie 6

7 Nutzungspfade Auswahl II Nutzungspfade 3b 3c 4a 4b 4c Name HTC-Kohle Biowasserstoff, Biomethan Biomethan Abwasser HTC Kohle Abwasser Biowasserstoff, Biomethan Abwasser Rohstoff Ertragsreiche Algen - Algenbiomasse nicht-getrocknet Ertragsreiche Algen - Algenbiomasse nicht-getrocknet Abwasseralgen - Algenbiomasse nicht-getrocknet Abwasseralgen - Algenbiomasse nicht-getrocknet Abwasseralgen - Algenbiomasse nicht-getrocknet Kultivierung PBR PBR integriertes System integriertes System integriertes System Ernte Flockulation + Flotation Flockulation + Flotation Flockulation + Flotation Flockulation + Flotation Flockulation + Flotation Entwässerung Zentrifugation Zentrifugation Zentrifugation Zentrifugation Trocknung Aufbereitung Bioenergie Biomaterial Folie 7 HTC-Kohle, Fernwärme Biowasserstoff und Biomethan Biomethan Dünger HTC-Kohle, Fernwärme Biowasserstoff und Biomethan, Fernwärme

8 Algenarten Nr. Algengruppe Algenart (Beispiel) 1 Ölreiche Mikroalgen 2 Stärkereiche Mikroalgen Chlorella sp. schnellwachsende Süßwasseralge, akkumuliert unter Streß Öl Chlorella vulgaris Süß- und Brackwasseralge, hoher Stärkegehalt 3 Ertragsreiche Mikroalgen Chlorella sp. schnellwachsende Süßwasseralge 4 Abwasser-Algen Scenedesmus obliquus robuste Süßwasseralge, verdrängt im Abwasser die meisten anderen Algenarten, tolerant gegenüber Nitrat, Ammoniak und Harnstoff Folie 8

9 Kultivierung Photobioreaktor Flachplattenbioreaktor Durchmischung durch CO 2 -Einblasung Beheizung durch Rauchgas-Abwärme; Verdunstungskühlung bei starker Einstrahlung Lichtzyklus 16 h/d (Beleuchtung) Volumen / Bodenfläche 125 l/m : Algenkonzentration 0,25 % TSS Produktivität 40 g/m 2 /d bzw. 0,32 g/l/d CO 2 aus Rauchgas 20 gew% bzw. 13 vol% Nährstoffe aus NPKS Dünger 0,225 g/g H 2 O, N, P Recycling Produktivität 61 g/m 2 /d Algenkonz. 0,5 % TSS halbierte Mischenergie Folie 9

10 Kultivierung integriertes System Offene Becken (Raceway Pond) Durchmischung per Schaufelrad CO 2 -Eintrag über Sumpf Tiefe 0,3 m Algenkonzentration 0,04 % TSS Produktivität 20 g/m 2 /d CO 2 aus Rauchgas 20 gew% bzw. 13 vol% Nährstoffe aus Abwasser kein Recycling Folie : Produktivität 44 g/m 2 /d Algenkonz. 0,08 % TSS halbierte Mischenergie

11 Ernte (zweistufig) 1. Schritt: Flokkulation / Flotation Flokkulation und Flotation in offenen Becken Flockungshilfsmittel Chitosan 20 mg/l Flotation durch Lufteinblasung 0,01 g/l Ablaufkonzentration 5 % TS 2. Schritt: Zentrifugation Energiebedarf 8 kwh/m 3 Ablaufkonzentration 25 % TS 2050: 10 mg/l Chitosan nach Flokk. 7,5 % TS 4 kwh/m 3 für Zentr. nach Zentr. 30 % TS Folie 11

12 Aufbereitung Trocknung Vor dem Transport Auf 90% TS Energiebedarf 0,4 kwh/kg TS Wärmebedarf 0,7 kwh/kg verdampftes Wasser Folie 12

13 Aufbereitung Extraktion Folch-Extraktion aus feuchter Biomasse Ölgehalt 30 % Lösemittel Chloroform : Methanol = 2 : 1 Lösemittelbedarf 20* Volumen der feuchten Biomasse Effizienz 93,8% Restfeuchte Algenbiomasse 12% Wasserverlust 11,7% Lösemittelverlust 0,27% Wärmebedarf 2,7 MJ/kg trockene Alge Energiebedarf 1,0 MJ/kg trockene Alge Folie : Ölgehalt 45 % LM-Bedarf 15 LM-Verlust 0,12 % Wärme 2,0 MJ/kg Strom 0,8 MJ/kg

14 Umwandlung Veresterung Ölqualität: 69,5 % TAG 20 % Unverseifbares 10 % FFA 0,5 % H 2 O Verfahrensschritte: Entschleimung (Wasser, Zentrifuge) Vorveresterung (H 2 SO 4, Methanol) Umesterung (KOH, Methanol) Rückführung von FFA, Methanol Biodieseldestillation Produkte: Biodiesel Glycerin Futtermittel (Presskuchen aus der Ölextraktion) Ölqualität 2050: 84,5 % TAG 10 % Unverseifbares 5 % FFA 0,5 % H 2 O Folie 14

15 Umwandlung Fluid Catalytic Cracking FCC in einem Wirbelschichtreaktor der Raffinerie Annahme: 85% des Öls werden umgesetzt Produktstromzusammensetzung: 41,5 % Benzin 18,4 % LCO (Light Cycle Oil) 22,9 % Gas (enthält 5 % Ethylen und 40 % Propylen) 11,1 % Wasser, 6,1 % Kohle Produkte: Benzin Heizöl (LCO) 2050 kann das gesamte Öl Heizgas umgesetzt werden Ethylen, Propylen Futtermittel (Presskuchen aus der Ölextraktion) Folie 15

16 Umwandlung Ethanolfermentation Dry-grind Bioethanol-Anlage (Hydrolyse, Aufschluss, Fermentation, Destillation) Algenbiomasse 90 % TS Stärkegehalt 20 % (2020) bzw. 55 % (2050) 90% der Stärke werden umgesetzt, davon 50 % zu Ethanol, 50 % zu CO 2 Schlempeverwertung durch Fermentation zu Biogas (430 l CH4 / kg ots) und anschließende Verstromung für 2050 Produkte: Folie 16 Ethanol Strom / Wärme Dünger CO enthält die Algenbiomasse 55 % Stärke

17 Umwandlung Biogasfermentation I Naßfermentation zu Biogas Qualität der Algenbiomasse Pfad 3a (Chlorella sp. aus PBR): Kohlenhydratgehalt 35 [% d. TS] Ölgehalt 25 [% d. TS] Proteingehalt 40 [% d. TS] ots-gehalt 95 [% d. TS] Pfad 4a (Scenedesmus obliquus aus integriertem System): Kohlenhydratgehalt 45 [% d. TS] Ölgehalt 25 [% d. TS] Proteingehalt 30 [% d. TS] ots-gehalt 92 [% d. TS] Folie 17

18 Folie 18 Umwandlung Biogasfermentation II Pfad 3a bzw. 4a Verweilzeit 50 d 400 bzw. 375 l CH 4 / kg ots Rohbiogas enthält 63 bzw. 60 % Methan Upgrading auf 100 % Methan, 1 % Schlupf Ammoniumstickstoff im Gärrest 2,283 bzw. 1,698 g/kg Gärrestverwertung als Dünger (2020) oder zurück zur Algenkultivierung (2050 aus PBR) Produkte: Biomethan Dünger Anlagengröße steigt von 125 ha PBR in 2020 auf 500 ha PBR in 2050 keine technologischen Änderungen

19 Umwandlung Thermochemische Prozesse ausgehend von Algenbiomasse Verbrennung Vergasung Pyrolyse Hydrothermale Prozesse Hydrothermale Karbonisierung Hydrothermale Verflüssigung Hydrothermale Vergasung Folie 19

20 Umwandlung Hydrothermale Prozesse Qualität der Algenbiomasse: Wassergehalt: 75% Aschegehalt: 8% (chlorella sp. und s. obliquus) Zusammensetzung: fuer chlorella: F 53, Ca 94, K 1360, Mg 264, Na 50, P 1680 [mg/100g] Anteil flüchtiger Kohlenwasserstoffe: keine in HTC, angenommen keine in HTG) Heizwert : 21,5 MJ/kg Folie 20

21 Umwandlung Hydrothermale Karbonisierung Anlage als upscale des Laborexperiments von Heilmann et al. Algenzusammensetzung: 51,6 %C, 7,9 %H, 9,8 %N, HV=18 MJ/kg Input als Algenbiomasse mit 10% TS Reaktion: (7,5% TS, 2,3 wt% oxalic acid, 203 C, 2 h) HTC-Kohle durch Vakuumfiltration abgetrennt Zusammensetzung HTC-Kohle: 72,7 %C, 9,7 %H, 5,2 %N, S, HV=31,58 MJ/kg Annahme +10% Wärme für kommerzielles Kraftwerk Anpassungen für TS-Gehalt in Algeninput, Aschegehalt Produkte: HTC-Kohle HV=38 MJ/kg, und heißes Wasser (75 C). Folie : Karbonisierungsprozess um 10 % effizienter

22 Folie 22 Umwandlung Hydrothermale Vergasung 2050: Vergasungsprozess um 10 % effizienter (Produktertrag) Vergasungsanlage basierend auf KIT VERENA Pilotanlage Prozess: Biomassevergasung in überkritischem Wasser, bei 250 bar und 600 C Umsetzung zu Produktgas (CH 4, H 2 ) Energiebilanz Input feed: C2H5OH, 14,4% TS, 100 kg/h (107 kw th ) Strominput: 8 kw e Produziertes Gas: 15,5 Nm 3 /h (H 2 58%, CH 4 31%, C 2 H 6 8%, C 3 H 8 1%, CO 1%) nach CO 2 Separation; Output 108 kw th, davon 35 kw th für internen Wärmeverbrauch verwendet Adaptiert an Algen-Heizwert, Aschegehalt und Feststoffkonzentrierung im Algeninput Produkte: Syngas (H 2, CH 4, andere) η=68%, und heißes Wasser 155 C, η=10%

23 Anlagengrößen I Umwandlung Rohstoff 2020/2050 [kt/a] 1a Veresterung Algenöl 50 1b Fluid Catalytic Cracking 2 Alkoholfermentation Algenöl 50 Fläche 2020/2050 [ha] gesamt 1.600/700 Kultivierung 1.300/600 gesamt 1.600/700 Kultivierung 1.300/600 Algenbiomasse TS 200 gesamt -/1200 Kultivierung -/1000 Produkte 2020/2050 [kt/a] Biodiesel 41/45 Coprocessing Raffinerie: Biobenzin 18/21 Light Cycle Oil 8/9 Heizgas 5/6 Bioethanol -/50 Strom/Wärme je 160 GWh/a Folie 23

24 Anlagengrößen II Umwandlung Rohstoff [kt/a] Fläche 2020/2050 [ha] Produkte 2020/2050 [kt/a bzw. Mio. Nm³/a] 3a, 4a Methanfermentation Algenbiomasse TS 17/67 Algenbiomasse TS 2 gesamt 150/400 Kultivierung 125/300 gesamt 50/20 Kultivierung 35/15 Biomethan 6,4/26,1 Biomethan 0,8/0,8 3b, 4b Hydrothermale Karbonisierung Algenbiomasse TS 67 Algenbiomasse TS 2 gesamt 600/400 Kultivierung 500/300 gesamt 50/20 Kultivierung 35/15 Biokohle 43/46 Biokohle 1,3/2 3c, 4c Hydrothermale Vergasung Algenbiomasse TS 67 Algenbiomasse TS 2 gesamt 600/400 Kultivierung 500/300 gesamt 50/20 Kultivierung 35/15 Biowasserstoff 33,5/36,8 Biomethan 17,9/19,7 Biowasserstoff 1,1/1,2 Biomethan 0,6/0,7 Folie 24

25 Änderungen für 2050 Vorkette Algen: höherer Ölgehalt für Pfad 1 höherer Stärkegehalt für Pfad 2 Kultivierung: gesteigerte Produktivität doppelte Zellkonzentration halbierte Mischenergie Ernte: weniger Flockungshilfsmittel geringerer Energiebedarf verbesserte TS-Gehalte Ölextraktion: geringerer Bedarf an Lösungsmittel geringerer Wärme- und Energieeinsatz Folie 25

26 Änderungen für Umwandlungen Pfad Änderung für a: Veresterung 1b: Fluid Catalytic Cracking 45 % Ölgehalt, bessere Ölqualität 45 % Ölgehalt, vollst. Umsetzung 2: Alkoholfermentation 55 % Stärkegehalt 3a: Methanfermentation 3b: Hydrothermale Karbonisierung 3c: Hydrothermale Vergasung 4a: Methanfermentation 4b: Hydrothermale Karbonisierung 4c: Hydrothermale Vergasung Folie 26 größere Anlage 10 % Effizienzsteigerung, 5 % höherer TS-Gehalt der Algenbiomasse wie 3b keine 10 % Effizienzsteigerung, 7 % höherer TS-Gehalt der Algenbiomasse wie 4b